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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
Teaching model on robotics in higher education institutions
Raúl Medrano Tantaruna, Miguel Chávez Luna
ResuMen
La enseñanza de la robótica en universidades e institutos
tecnológicos se dificulta en la medida que los estudiantes
encuentran algunos tópicos difíciles de entender debido
al uso necesario de herramientas matemáticas para de-
terminar, por ejemplo, la ubicación de la “garra” del robot,
con respecto a un punto de referencia. En este trabajo los
autores proponen un método de enseñanza que combina
la teoría y la práctica para mejorar así el nivel de compe-
tencia de los estudiantes interesados en esta disciplina. La
primera parte de este artículo se enfoca en la enseñanza
de los conceptos básicos y herramientas de simulación
para localizar un punto en el espacio, modelando el mo-
vimiento de una cadena cinemática a través de la herra-
mienta de robótica de MATLAB. En la segunda parte, el
modelo simulado es implementado entregando un kit a
los estudiantes, quienes diseñan el algoritmo de control
usando LabView para control de movimiento.
AbsTRACT
Teaching of robotics in universities and technology ins-
titutes becomes difficult as students find some topics
hard to understand, due the necessary use of mathema-
tical tools for determining for example the position of a
“robot’s claw” related to a reference point. In this paper
the authors show a teaching method which combines
theory and practice, in order to raise the level of compe-
tence of students interested in this discipline. First part of
this article is focused on teaching the basic concepts and
simulation tools used to locate a point in space, modeling
the movement of a cinematic chain through the robotics
toolbox of MATLAB. In the second part, the simulated mo-
del is implemented by giving a kit to students, who de-
sign the control algorithm using a program in LabView for
motion controlling.
PALAbRAs CLAves
Cinemática directa, cinemática inversa, matriz de rotación,
matriz homogénea.
Key WoRds
Direct kinematics, inverse kinematics, rotation matrix, ho-
mogenous matrix.
InTRoduCCIón
Para no extender el presente trabajo, vamos a dar por co-
nocidos algunos términos que de otro modo ocuparían
muchas líneas en explicarlos. El método de enseñanza
usado será dividido en las siguientes etapas:
Etapa de Fundamentos a) Aplicar herramientas matemá-
ticas para localizar un objeto en el espacio, en el cual nos
apoyaremos por las matrices de rotación y las matrices
homogéneas. b) Estudiar una cadena cinemática confor-
mada por eslabones y articulaciones en donde debemos
localizar cada una de éstas tomando como referencia las
posiciones de las anteriores para lo cual haremos uso de
la notación de Denavit-Hartenberg (D-H). c) Usar el Tool-
box de Robótica desarrollado por Corke para MATLAB [2]
con la cual efectuaremos la simulación de control en cine-
mática directa de un robot antropomórfico de 5 DOF, que
posteriormente será implementado en la etapa práctica.
Etapa de Aplicación: a) Construir el robot a partir de la
entrega de un kit con todas sus piezas en la que los es-
labones son planchas de aluminio, las articulaciones son
los servomotores y el extremo es una pinza. b) Medir lon-
gitudes y pesar las piezas del robot para su modelado en
modo cinemático y dinámico (en posterior trabajo). c)
Diseñar un programa en LabView para controlar el mo-
vimiento angular de los servomotores, que permitan al
robot desplazar su extremo entre puntos específicos.
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
En la Figura 1 se observa un diagrama de bloques con
todos los elementos participantes en el control de movi-
miento del extremo del robot. En este caso se está consi-
derando que la garra es un punto ideal, razón por la que
sólo se necesitan los valores de posición para ubicarla.
Como todo robot está conformado por servomotores de
movimiento giratorio instalados en sus articulaciones y
el movimiento de la garra es un desplazamiento. Para el
control efectivo se deben realizar dos conversiones de
movimiento que se denominan Cinemática Inversa y Ci-
nemática Directa.
Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de control de
robot con 3 grados de libertad (DOF).
FundAMenTos
En la Figura 2 se observa el punto P, cuya posición está
expresada respecto del sistema cartesiano X’Y’Z’ y cuyo
origen está unido con el de otro sistema XYZ. Se desea
obtener la posición de dicho punto respecto del sistema
cartesiano XYZ. Notar que el sistema X’Y’Z’ está rotado un
ángulo en sentido horario del eje Z.
Figura 2. Posición del punto P en el eje coordenado X’Y’Z’,
rotado ° respecto del eje Z de XYZ.
Las herramientas matemáticas necesarias para ubicar el
punto P(X’,Y’,Z’
) respecto del eje cartesiano XYZ se deducen
geométricamente y se obtiene la Ecuación 1.
(ec. 1)
Ordenando en el formato de matriz tenemos la ecuación
2,
(Ec. 2)
en donde,
(Ec. 3)
es llamada Matriz de Rotación del sistema X’Y’Z’ rotado °
respecto del eje Z del sistema XYZ. De igual modo pueden
ser fácilmente deducidas por los estudiantes las matrices
de rotación Roty() y Rotx(). Se concluye de la Ecuación
2 que son necesarios tres datos para ubicar al punto P.
Si la rotación del sistema coordenado X’Y’Z’ es de sus tres
ejes siguiendo la siguiente secuencia: primero rotando un
ángulo alrededor del eje X, luego un ángulo alrededor
del eje Y y por último un ángulo alrededor del eje Z, se
tiene la siguiente Matriz de Rotación compuesta:
(Ec. 4)
en la que se debe tener en cuenta el orden de los mo-
vimientos pues es no conmutativo y el producto de las
matrices se hace de derecha a izquierda.
Ahora tratamos el caso en que el punto P es reemplazado
por un sólido rígido Q. Se deduce que para localizar dicho
sólido no sólo es necesaria la posición sino que también
debemos saber su orientación [1]. La Figura 3 muestra el
método usado para localizar un objeto sólido en el espa-
cio. La posición del sólido Q viene dada por la posición
del origen O’ y la orientación es dada por los ángulos de
rotación del sistema X’Y’Z’, todo esto respecto del origen
O del sistema XYZ.
Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Figura 3. Localización del sólido rígido Q.
Aquí introduciremos el concepto de Matriz Homogénea
que nos va a permitir expresar la posición y orientación
de un sistema de referencia X’Y’Z’ respecto de otro XYZ
[1]. Esta matriz es de 4x4 y su representación es mostrada
en la ecuación 5.
(Ec. 5)
Entonces, la localización del sólido Q del eje coordenado
O’X’Y’Z’ respecto del eje OXYZ es dada por la Ecuación 6.
(Ec. 6)
La matriz de la ecuación 5 se divide en las siguientes sub-
matrices de rotación y traslación respectivamente:
(Ec. 7)
(Ec. 8)
Se concluye que, si en la Figura 3 se tuviera el brazo de
un robot en el cual la base fija es O y su extremo móvil O’,
localizaríamos en cada instante dicho punto Q que pue-
de representar a una articulación o la garra respecto del
origen O. En la Figura 4 se observan las partes de un robot
articulado (cadena cinemática) al cual se van a aplicar los
conceptos matemáticos aprendidos.
Luego de adquirir las nociones matemáticas necesarias
para localizar un objeto sólido en el espacio, vamos a usar
el concepto de la Matriz Homogénea para aplicarlo a las
partes de un robot conformado por eslabones y articula-
ciones, tal como se muestra en la Figura 5.
Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
Figura 4. Eslabones y articulaciones del robot [3].
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Se observa en la Figura 5 que para cada articulación se
ha escogido un sistema de coordenadas cartesianas, que
estarán referenciadas una con respecto de la otra hasta
localizar el extremo del robot. Por lo tanto se tendrá la si-
guiente ecuación de matrices homogéneas:
(Ec. 9)
Pero ahora tenemos el problema de cuál estándar esco-
ger para representar los ejes cartesianos en cada eslabón
y cuáles parámetros son los necesarios que nos permitan
ubicarlos ordenadamente. Aquí vamos a usar los paráme-
tros que Denavit-Hartenberg propusieron en 1955 para
describir la forma y tamaño así como la posición relativa
de dos eslabones consecutivos unidos por articulación
rotacional o prismática (ver la Figura 6).
Observamos que los parámetros ai,
i representan el ta-
maño y la forma del eslabón i respectivamente, mientras
que los parámetros di,
i representan la posición relativa
del eslabón i respecto del anterior i-1. Se observa que ai,
i son constantes debido al carácter rígido del eslabón
mientras que di es variable para una articulación prismá-
tica y i lo es para una articulación rotacional. En conclu-
sión, si los eslabones son planos (sin torsión) y ubicados
tal como en la figura 5 (articulación rotacional), se deduce
que el valor de i =0, a
i =cte, d
i =0 y
i =variable. Los siste-
mas cartesianos de referencia a asignar en cada articula-
ción deben seguir el procedimiento mostrado en la Figura
7 en la que se puede deducir que a los ejes de cada arti-
culación “i” se le nombra con el valor “Zi-1
” y, el eje “Xi-1
” es
resultado de prolongar una línea normal entre los ejes de
la articulación “i-1” e “i” siguiendo la dirección de menor a
mayor articulación.
Figura 5. Aplicación de la matriz Homogénea a las partes del robot [3].
Figura 6. Parámetros de D-H [3].
Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Entonces para referenciar los ejes coordenados contiguos
de un eslabón i, se deben efectuar los siguientes movi-
mientos: Roti(i), Trasi(a
i), Trasi(d
i) y Roti(
i) y en conse-
cuencia se deduce la siguiente matriz homogénea:
(Ec. 10)
En donde:
En la Figura 5 se observan la cantidad de matrices homo-
géneas que se van a usar para determinar la localización
del extremo del robot respecto de la base. Para llevar un
orden se muestra la Tabla 1 en la cual se anotarán los va-
lores de los parámetros D-H para cada eslabón referencia-
dos al inmediatamente anterior.
Eslabón ai
di
i
i
1
…..
i
…..
extremo
Con ayuda de la ecuación 9 tenemos la matriz homogé-
nea total con la cual hemos resuelto el problema de Ci-
nemática Directa (ver figura 1) pues hemos localizado el
extremo del robot en función de los valores angulares de
los motores ubicados en cada articulación.
Entonces, aplicando los conocimientos adquiridos hasta
este punto y teniendo en cuenta que el alcance del pre-
sente trabajo es aplicar los conceptos de la cinemática
directa, se muestra en la Figura 8 al robot de 5 grados de
libertad (DOF) que se va a implementar.
Figura 7. Asignación de sistemas de referencia [3].
Tabla 1. Valores D-H para cada eslabón. Figure 8. Sistema de coordenadas del robot a implementar.
Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
En la Tabla 2 podemos ver los valores de D-H encontrados
para el robot.
Eslabón ai
di
i
i
i
1 0 0 /2 1
0
2 l1 0 0
20
3 l1 0 0
30
4 0 0 /2 /2+ 4
0
5 0 l3 0
50
Tabla 2. Valores D-H para el robot a implementar.
Usando el Toolbox de Robótica de MATLAB, creamos el
simulador de robot siguiente:
L1=0.2; L2=0.2; L3=0.1;
q1=pi/10; q2=pi/10; q3=pi/10; q4=pi/10; q5=pi/10;
%D-H.
% link([alfa A theta d sigma])
L1 = link([pi/2 0 q1 0 0], ‘standard’);
L2 = link([0 L1 q2 0 0], ‘standard’);
L3 = link([0 L2 q3 0 0], ‘standard’);
L4 = link([pi/2 L3 pi/2+q4 0 0], ‘standard’);
L5 = link([0 0 q5 L4 0], ‘standard’);
Los algoritmos para cinemática directa basados en la
matriz homogénea y los parámetros de D-H ya están
implementados en el software y sólo basta con usar los
archivos “link” para definir cada eslabón, armar el robot a
simular mediante “robot” y luego visualizar la animación
con “drivebot”. El resultado se observa en la Figura 9.
Figura 9. Animación con Robotics Tools.
APLICACIón
Para consolidar el aprendizaje de los estudiantes de robó-
tica en los conceptos iniciales tales como la Cinemática
Directa, primero se les hace trabajar con un software de
diseño mecánico de 3D, tal como el denominado Rino-
cerus, lo cual les permite visualizar el robot antes de su
fabricación. En la Figura 10 es mostrado un ejemplo de
presentación del software mencionado.
Figura 10. Uso de software de diseño mecánico para visualizar
el robot antes de fabricarlo.
Luego de proceder a la construcción basado en planchas
de aluminio se inicia el proceso de montaje, para lo cual
se instalan en las articulaciones del robot los motores del
tipo servo (de uso frecuente s en aplicaciones de control
a distancia). En la Figura 11 se muestra al robot ya ensam-
blado por nuestros estudiantes.
Figura 11. Robot ensamblado
Para las pruebas de funcionamiento del robot en Cine-
mática Directa, se utiliza el software de control LabView,
con el cual se procede a grabar en un archivo de memo-
ria, las coordenadas que se desean alcanzar. La Figura 12
nos presenta a los elementos que van a intervenir en el
control del robot y la figura 13 da un ejemplo de progra-
ma con el cual se trabaja en lazo abierto, activando a los
servomotores mediante señal PWM. El sensor de posición
analógico mediante potenciómetro nos sirve solamente
para observar la posición actual, pues el algoritmo de con-
trol se desarrollará en posteriores trabajos.
Figura 12. Elementos del control
Figura 13. Programa de control del robot ensamblado.
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
• Utilizar rúbricas para medir el proyecto de im-
plementación y control del robot con el fin que
los estudiantes demuestren sus habilidades en
la implementación, detección de fallas y prueba
del sistema, de acuerdo a los requerimientos del
profesor.
• Evaluarelproyectofinalde losestudiantesy las
entregas previas, asegurando una estructura y re-
dacción correctas, así como una adecuada inclu-
sión de información técnica, tal como diagramas
en base a estándares, anexos, entre otros
ReFeRenCIAs bIbLIogRáFICAs
1 A. Barrientos, L. Felipe, C. Balaguer and R. Aracil, Fun-
damentos de Robótica, Mc Graw Hill, Segunda Edi-
ción, España, 2007.
2 P. I. Corke, “A Robotics Toolbox for MATLAB”, IEEE Robo-
tics and Automation Magazine, USA, 1996, pp. 24-32.
3 F. Torres, J. Pomares, P. Gil and S.T. Puente, Robots y
Sistemas Sensoriales, Prentice Hall, Segunda Edición,
España, 2002.
ACeRCA de Los AuToRes
Raúl Medrano Tantaruna, es docente a tiempo completo
en Tecsup por el departamento de Electrónica Industrial.
Es Ingeniero electrónico titulado por la Universidad Na-
cional de Ingeniería y ha terminado sus estudios de Maes-
tría en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Ha reci-
bido curso de especialización en Educación Tecnológica
por convenio con GWZ de Alemania.
Miguel Chavez Luna es docente a tiempo completo en
Tecsup por el departamento de Electrónica Industrial. Es
egresado de Tecsup y ha recibido cursos de especializa-
ción en Automatización de Procesos de Manufactura por
convenio con SENAI en Brasil y en Ingeniería Mecatrónica
por convenio con JICA en Mexico. En la actualidad se en-
cuentra culminando la carrera de Ingeniería Electrónica
en la Universidad Ricardo Palma.
ConCLusIones
• El presente método de enseñanza es una propues-
ta inicial, desarrollada con un grupo de estudiantes
del Departamento de Electrónica de nuestra insti-
tución educativa y que puede extenderse a grupos
más numerosos gracias a los exitosos resultados
iniciales obtenidos (compromiso de los estudiantes,
participación activa, etc.). Se concluye que el méto-
do mostrado en este documento es un buen inicio
que nos permitirá luego, madurar otras propuestas
con estudios de más profundidad en el campo de la
robótica.
• EltemadeRobóticaesnormalmentealgodifícilde
aprender debido al uso de herramientas matemáti-
cas complejas que normalmente se usan para locali-
zar un punto en el espacio. Nosotros, como docentes
estamos proponiendo desarrollar dichos temas del
modo más sencillo posible, aplicando los conceptos
base y luego apoyándose con una herramienta de
software de simulación de robots de MATLAB. Con-
cluimos que las instrucciones del toolbox menciona-
do (drivebot, fkine, link, etc.) son de mucha utilidad
para desarrollar investigación en el futuro respecto
al control de desplazamiento en lazo cerrado, el cual
requerirá de técnicas de control avanzado.
• Paralaparteprácticasehanusadolosconceptosde
Cinemática Directa en lazo abierto para controlar el
movimiento de un robot mediante servomotores
y software de control LabView. Concluimos que el
mejor modo de confirmar lo aprendido se observa
durante el trabajo práctico y es por eso que los es-
tudiantes son capacitados en las técnicas del uso de
software de diseño gráfico, software de control, ca-
bleado del robot-controlador y la puesta en marcha
respectiva.
• Conrespectoalosprocedimientosausarseparaase-
gurar el proceso de aprendizaje a través de la me-
dida de competencias y actividades de evaluación,
sugerimos por lo menos lo siguiente:
• Aplicar pruebas o cuestionarios con preguntas
que midan el nivel de profundidad de los cono-
cimientos y habilidades adquiridos durante el
curso.
Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
Real time supervisory system for substations in electrical companies
Alvaro Castro Chevarría
ResuMen
Las empresas eléctricas tienen la necesidad de supervi-
sar en tiempo real y de manera centralizada las diferentes
subestaciones remotas que conforman su sistema eléc-
trico; el presente trabajo pretende cumplir con esta ne-
cesidad modificando la manera tradicional en que se ha
venido llevando a cabo esta tarea por una alternativa que
permite aprovechar el uso de nuevas tecnologías que
además permiten obtener mayores beneficios funciona-
les y menores costos de implementación
El sistema de supervisión en tiempo real que proponemos
está conformado por un computador o servidor central
ubicado en el centro de control de la compañía eléctrica y
los dispositivos IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente)
que recogen la información relevante del sistema eléctri-
co ubicado en las subestaciones de dicha compañía. El
computador central y los dispositivos de subestación se
encontrarán unidos por medio de equipos de comunica-
ciones que conforman una red de tipo Ethernet o TCP/IP.
Los dispositivos de subestación llamados IEDs (Dispositi-
vo Electrónico Inteligente) están compuestos fundamen-
talmente por relés, medidores, controladores, plcs y otros
que permiten cumplir con las funciones de protección,
medición y control de los equipos de potencia de la sub-
estación, éstos contienen la información relevante del sis-
tema eléctrico lo que será aprovechado para su envío al
sistema de supervisión en tiempo real. Esta es la principal
diferencia y ventaja con respecto a la forma tradicional de
implementar un sistema de supervisión ya que nosotros
utilizaremos directamente los IEDs o dispositivos de sub-
estación para obtener la información relevante del siste-
ma eléctrico dejando de usar el concentrador o la RTU
(Unidad Terminal Remota) característicos de la solución
tradicional.
AbsTRACT
The present project is about the electrical companies
need of to report in real time the relevant information of
the electrical system to the regulatory public organism,
modifying the traditional way by other alternative one
that allows to take advantage of the use of new technolo-
gies that will allow to obtain more functional benefits and
less costs of implementation.
This system of supervision in real time that we propose
have a computer or central server located in the electrical
company control center and the devices IEDs (Electronic
Intelligent Device) who gather the relevant information
of the electrical system located in the substations of the
above mentioned company. The central computer and
the devices of substation will be joined by ethernet com-
munication switches in TCP/IP.
The devices of substation called IEDs (Electronic Intelli-
gent Device) are composed fundamentally by relays, me-
ters, controllers, plcs and others that allow to expire with
the functions of protection, measurement and control of
the equipments of power of the substation contain the
relevant information of the electrical system what will be
taken advantage for been sent to the system of supervi-
sion in real time. This one is the principal difference and
advantage with regard to the traditional way of imple-
menting a system of supervision what is more we use di-
rectly the IEDs or devices of substation to obtain the rele-
vant information of the electrical system, stopping using
the concentrating one or the RTU (terminal remote unit)
typical of the traditional solution.
PALAbRAs CLAves
Sistema de supervisión, SCADA, sistema en tiempo real,
dispositivos electrónicos inteligentes, subestaciones eléc-
tricas.
38
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
sIsTeMA suPeRvIsoR de subesTACIones eLéCTRICAs
El sistema supervisor es el que recibe los parámetros
eléctricos de las principales cargas instaladas, posiciones
de equipos de maniobra y eventos de los diferentes dis-
positivos que conforman el sistema en forma continua
permitiendo mantener la información de campo perma-
nentemente actualizada y disponible para su consulta y
utilización.
Los sistemas supervisores en tiempo real en el sector
eléctrico reciben la denominación de Sistemas SCADA
(Supervisory Control and Data Acquisition).
Figura 1. Sala de control de un sistema de supervisión.
CoMPonenTes deL sIsTeMA suPeRvIsoR
Los componentes de un sistema supervisor comprenden
desde los equipos de detección, protección de fallas, co-
municación, medición y procesamiento de datos hasta el
software que integra todos los dispositivos inteligentes
que forman parte del sistema, sin embargo los compo-
nentes más relevantes de un sistema supervisor son los
sensores de estado y de medida, los cuales, instalados
en el campo, son la base de la generación de la informa-
ción para el sistema supervisor.
Los sensores de estado son los que pueden tener sólo
dos posibles valores o un cero o un uno lógico y permiten
reflejar los estados de los elementos de control del siste-
ma como por ejemplo, el estado de un interruptor de po-
tencia para indicar si está abierto o cerrado (Open/Close),
si un motor está funcionando o detenido y además sirven
también para la señalización de alarmas y eventos.
Los sensores de medida son capaces de medir valores
analógicos como voltajes, amperajes, volúmenes de líqui-
dos y gases, temperatura, etc., en forma continua.
Key WoRds
Supervision system, SCADA, real time system, intelligent
electronic devices, electrical substations.
InTRoduCCIón
El presente trabajo tiene por objeto la implementación de
un Sistema en Tiempo Real para la supervisión de subes-
taciones eléctricas ubicadas en provincias de nuestro país
desde un Servidor Central, ubicado en las oficinas de la
Compañía Eléctrica propietaria de las mismas.
Un sistema en tiempo real es un sistema informático que
responde a estímulos producidos externamente dentro
de un intervalo de tiempo finito y especificable 1. De esta
manera un Sistema en Tiempo Real depende no sólo del
resultado lógico de la computación, sino también del ins-
tante en el cual se producen dichos resultados; es debido
a estas características que son utilizados en aplicaciones
de control, supervisión y comunicaciones.
En la actualidad la construcción de cualquier subestación
de transmisión o distribución de energía eléctrica, incluye
como parte del proyecto, el poder transmitir los paráme-
tros eléctricos de las principales cargas instaladas, posi-
ciones de equipos de maniobra, eventos y manejo de las
protecciones a sistemas remotos que permitan al usuario
conocer el funcionamiento y supervisar a distancia las
unidades que forman parte del sistema. Estos nuevos pro-
yectos están diseñados con el fin de minimizar la nece-
sidad del recurso humano, sobre la base de automatizar
todo lo que sea posible y pensando en utilizar tecnologías
modernas que permitan la integración de equipos hete-
rogéneos.
Estas nuevas soluciones tecnológicas hacen posible la
integración de diversos productos disponibles en el
mercado además de lograr una comunicación rápida y
eficiente.
En el presente trabajo se pretende realizar la implementa-
ción del sistema de supervisión en tiempo real, haciendo
uso de estas tecnologías basadas en el uso de redes Ether-
net en lo que corresponde a las comunicaciones y de la
tecnología OPC OLE para Procesos de Control en lo que
corresponde al Software.
1 S.J. Young Real Time Languages: Design and Development.
Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
en las diferentes empresas eléctricas y consiste de un sis-
tema de supervisión y control del tipo centralizado.
Estos sistemas se basan en el concepto de que toda la
inteligencia del sistema está concentrada en un equipo
central al cual llegan todas las señales de los sensores de
estado y de medida, este equipo central que posee uno o
mas procesadores tiene la capacidad de procesamiento
para realizar las tareas de análisis y toma de decisiones
del sistema, es decir, todo el proceso de información ge-
nerada por las unidades de campo se realiza en el equipo
central del sistema.
Este equipo central puede ser un concentrador o una RTU
(unidad terminal remota) que son característicos de la so-
lución tradicional.
En las soluciones basadas en el uso de concentradores,
todas las conexiones de los sensores de campo a la uni-
dad central se realizan por medio de cables eléctricos, por
lo menos un par de cables por cada señal y no mediante
técnicas de comunicación, lo cual implica un alto nivel
de cableado.
A continuación se muestra una arquitectura de comuni-
caciones basada en el uso de concentradores, en donde
se puede apreciar que la comunicación entre éstos es por
medio de protocolos del tipo serial cuyas velocidades de
transmisión y performance son mínimas.
Los relés y controladores son los elementos de protección
y control del sistema eléctrico que integrados al sistema per-
miten la ejecución de acciones automáticas o manuales.
La red de comunicaciones es la columna vertebral de
todo el sistema en tiempo real y de ésta dependerá la
velocidad y tiempos de respuesta del sistema a eventos
externos.
Con los elementos descritos, es posible implementar bá-
sicamente un sistema supervisor capaz de representar, en
un modelo a escala, la funcionalidad de la planta o siste-
ma eléctrico.
El Software es el último componente que se requiere, es
la forma de representar el sistema, es decir, las pantallas
mímicas que representan los sistemas eléctricos y que
permiten apreciar su comportamiento en el tiempo, ini-
cialmente se utilizaron paneles mímicos con luces para la
señalización y displays para la medición, en la actualidad
se utilizan computadoras que contienen el software en
tiempo real que permiten mostrar la información en pan-
tallas gráficas.
sIsTeMA de suPeRvIsIón TRAdICIonAL
Hace referencia a la forma convencional cómo se ha veni-
do llevando a cabo la implementación de estos sistemas
Figura 2. Arquitectura de comunicaciones basada en concentradores.
Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Figura 4. Capas, interfaces y protocolos en el modelo OSI.
Se trata por tanto de una arquitectura de siete niveles en
la que en cada nivel se han tomado protocolos estándar,
siendo posible que sobre la misma infraestructura física
puedan coexistir diferentes protocolos de comunicación
al nivel de aplicación basados en TCP/IP como es el caso
de Modbus TCP, DNP TCP y IEC61850 (MMS).
El sistema de supervisión que proponemos se basa ade-
más en el uso de dispositivos inteligentes intermedios o
IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente) con capacidad
de análisis y toma de decisión sobre su ámbito específico
de gestión. Estas inteligencias intermedias reemplazan
las tareas que tenía el equipo central.
Las Unidades Electrónicas Inteligentes o IEDs, para el caso
de las subestaciones eléctricas, pueden ser los PLCs, los
controladores industriales, los relés digitales, los medido-
res de energía o las RTUs con puerto de comunicaciones
ethernet.
Las mismas limitaciones presentan las soluciones basadas
en el uso de RTUs que ya cuentan con comunicaciones
del tipo serial para integrar los dispositivos de subesta-
ción, como es el caso de la arquitectura de comunicacio-
nes presentada a continuación.
Figura 3. Arquitectura de comunicaciones basada en RTUs.
En este tipo de transmisión serial se forma un “tren” de
bits, uno tras de otro viajan del lugar de emisión al recep-
tor utilizando una sola vía, en este caso será un conductor
eléctrico de cable serial, como en el caso de los trenes con
una sola vía; si se desea transmitir en el sentido contrario,
se debe esperar que la vía esté libre, es por ello que hoy
en día en que se necesitan transmitir mayores cantidades
de datos son muy limitados.
sIsTeMA de suPeRvIsIón PRoPuesTo bAsAdo en eL uso de TeCnoLogíAs AbIeRTAs
La arquitectura de comunicaciones del sistema que pro-
ponemos se basa en el uso de redes Ethernet dentro del
modelo de referencia de la OSI, las capas de la OSI (Open
Systems Interconnect) fueron creadas por la ISO (Inter-
national Organization for Standarization) en 1974 con el
propósito de abrir la comunicación entre diferentes siste-
mas sin recurrir a cambios a la lógica y fundamentos del
hardware y software. El modelo de referencia OSI no es un
protocolo, es un modelo para entender el diseño de una
arquitectura de red que sea flexible, robusta e interopera-
ble. Su filosofía se basa en descomponer la funcionalidad
de la cadena de transmisión en diversas capas o niveles,
cuya interfaz con las adyacentes esté estandarizada. Esto
supone por ejemplo, que dos aplicaciones de software de
comunicación distintas puedan utilizar el mismo medio
físico de comunicación.
Figura 5. Arquitectura de comunicaciones basado en IEDs.
Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
la marca Ruggedcom instalados en cada subestación al
que van conectados todos los IEDs de la subestación que
por su alta performance y robustez son los adecuados
para su aplicación en ambientes industriales y/o subes-
taciones eléctricas, éstos a su vez se encuentran unidos
en una sola red de comunicaciones por medio del uso de
routers y enlaces de comunicaciones propietarios o enla-
ces dedicados brindados por las principales empresas de
comunicaciones del país.
A continuación se muestra la arquitectura de comunica-
ciones de todo el sistema.
De otro lado, el software de supervisión que proponemos
esta basado en la tecnología OPC (OLE for Process Con-
trol) que bajo el patrocinio de Microsoft logró constituir
una estandarización orientada a definir una mecánica de
enlace y comunicación entre programas de software de
supervisión o SCADA.
IMPLeMenTACIón deL sIsTeMA de suPeRvIsIón
La columna vertebral del sistema es la red de comunica-
ciones Ethernet conformada por switches industriales de
Figura 6. Arquitectura de comunicaciones de todo el sistema basado en IEDs.
El equipamiento que se integró al sistema son los diferen-
tes IEDs conformados por relés, controladores y medido-
res existentes en cada subestación eléctrica.
La mayoría de relés de protección y medidores disponen
de un puerto de comunicaciones Ethernet con protocolo
Modbus TCP/IP lo que facilita su integración al sistema de
control y supervisión, estos relés son conectados median-
te este puerto a la red Ethernet que permite mantener
altas velocidades de transmisión y una alta performance
del sistema.
Para aquellos dispositivos que no tienen el puerto Ether-
net y que manejan el protocolo de comunicación serial
Modbus RTU, los cuales disponen de 1 puerto de comu-
nicaciones RS-485, se integraron al sistema por medio
del uso de convertidores de protocolo Modbus RTU a
Modbus TCP/IP. La experiencia en diversos proyectos de-
sarrollados, nos demuestra que para obtener una buena
performance de comunicación se debe considerar un (01)
conversor por cada cuatro equipos como máximo.
Se suministró asimismo un controlador lógico programa-
ble o PLC que se encargó de recepcionar todas las señales
analógicas y/o digitales que se requirieron para obtener
la posición de los equipos (seccionadores, interruptores,
etc.) y envío de alarmas que no estén cableadas a los IEDs
existentes. Este controlador posee el protocolo de comu-
nicación Modbus TCP/IP y se conectaron a la red de co-
municaciones Ethernet de la subestación.
En el Servidor SCADA el sistema operativo empleado es
Windows 2003 Server que por su robustez y madurez ha
demostrado ser el líder en el área Industrial, luego se ins-
Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
42
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
En razón a lo anterior planteamos el uso del protocolo
MODBUS TCP/IP para el envío y recepción de datos entre
el Centro de Control y los IEDs ubicados en las subesta-
ciones remotas. Resaltando finalmente que el sistema de
comunicaciones propuesto es hábil de integrar dispositi-
vos en Modbus TCP/IP u otro protocolo bajo TCP/IP de ser
requerido en el futuro.
Figura 7. Pantalla del unificar general del sistema eléctrico.
ResuLTAdo
Como resultado de esta implementación se obtuvieron
los siguientes logros:
• Laarquitecturapropuestasebasaenelusodeuna
colección de normas que permite tener una Arqui-
tectura de Comunicaciones Común que soporta la
interoperatibilidad de IEDs de múltiples fabricantes.
Las arquitecturas anteriores se basan en el uso de
protocolos propietarios y de arquitecturas de co-
municaciones cerradas que no garantizan que éstos
vayan a comunicarse con los demás equipos de la
red. Teniendo que comprarse muchas veces el mis-
mo dispositivo de la misma marca y hasta del mismo
modelo para que exista comunicación de extremo a
extremo. Los estándares son la esencia de la interco-
nexión de redes de comunicaciones, de muchas ma-
neras, ellos son la interconexión. Asímismo, los están-
dares son la base de los productos y típicamente son
los que marcan la diferencia entre la comunicación y
la incompatibilidad.
• Laarquitecturapropuestasebasaenelusodelmo-
delo de referencia de la OSI, y la estructura de las
capas de la OSI (Open Systems Interconnect) para in-
terconexión de Sistemas Abiertos creadas por la ISO
(International Organization for Standarization). Las
arquitecturas anteriores se basan en el uso de con-
centradores o RTUs que reducen la performance del
sistema e incrementan el numero de puntos de falla
además que tienen un crecimiento limitado.
taló el software OPC Server para Modbus TCP/IP con la ca-
pacidad de poder recibir simultáneamente la información
en tiempo real de todos los dispositivos involucrados en
la integración del sistema SCADA. Fue necesario construir
para cada equipo el mapeo de direcciones Modbus e in-
troducirlo en la tabla de configuración de dispositivos del
servidor OPC.
Después se instaló el Software SCADA SCAN1000 de
Hexatec- Inglaterra versión 5.00, que tiene una podero-
sa interfaz de comunicación que permite utilizar OPC;
así como una interfaz de usuario con alta capacidad de
animación en tiempo real y cambios en línea. Estas ca-
racterísticas posicionan a SCAN1000 como una madura
plataforma para sistemas de alta confiabilidad, con la fina-
lidad de disponer de un ambiente óptimo para el nuevo
concepto de HMI (Interfaz Hombre Máquina), así como
en la supervisión de unidades lógicas de control y de ad-
quisición de datos.
En la pantalla del Servidor se construyeron una serie de
pantallas, tales como las siguientes:
• MenúInicial
• DiagramaUnifilarGeneral
• DiagramaUnifilardecadaalimentador
• RegistrodeEventosenlaSubestación
• Panelanunciadordealarmas
• Reportes
Este sistema, desde el punto de vista computacional, ad-
quiere datos de los dispositivos electrónicos inteligentes
IEDs (relés y medidores) con capacidad de comunicacio-
nes a través de la red Ethernet de Cobre (Cable UTP-Cat5).
Posteriormente estas variables son reportadas al Servidor
SCADA utilizando el protocolo Modbus TCP/IP en donde
los parámetros eléctricos son mostrados y administrados
por la aplicación desarrollada.
Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el
nivel 7 (Aplicación) del Modelo OSI, basado en la arquitec-
tura maestro/esclavo o cliente/servidor, fue diseñado por
Modicon y convertido en un protocolo de comunicacio-
nes estándar de facto debido a su fácil implementación
y a que requiere poco desarrollo. La versión Modbus RTU
es muy utilizada en sistemas de supervisión y adquisición
de datos SCADA y la versión Modbus TCP es muy seme-
jante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión
mediante paquetes TCP/IP.
Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
43
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas
está limitado a tener que adquirir equipos industriales del
mismo fabricante o a un único protocolo, pues es posible
integrar equipos de diferentes propietarios en diferentes
protocolos sin causar conflictos con los existentes.
ReFeRenCIAs bIbLIogRáFICAs
1 S.J. Young, Real Time Languages: Design and Deve-
lopment.
2 Mark Adamiak, Introduction to the IEC61850 Protocol.
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communication networks and systems in substa-
tions “IEC 61850”.
10. OPC Foundation (1998), OPC Overview.
ACeRCA deL AuToR
Alvaro Castro Chevarria estudió Ingeniería Informática en
la Pontificia Universidad Católica del Perú y Electrónica
de Sistemas Computarizados en Tecsup. Ha recibido ca-
pacitación en programación de controladores en la Uni-
versidad de ABB en Suecia (2001), y de automatización
de subestaciones eléctricas bajo la norma IEC-61850 en
GE Multilin de Canadá (2005). Ha participado en la imple-
mentación de sistemas SCADA y en la automatización de
las subestaciones eléctricas de empresas peruanas de
minería, de generación y de distribución de energía eléc-
trica. Se desempeña como Ingeniero de Proyectos para la
división de Process Automation en ABB, y es profesor del
curso “Supervisión de Procesos por Computadora” para
los programas de especialización y capacitación continua
en TECSUP. En la actualidad se desempeña como ingenie-
ro de proyectos para la división de Process Automation
en ABB Perú.
• LaArquitecturapropuestasebasaenelusodeSwit-
ches Industriales de acuerdo con la norma IEC-61850
que conforman una Red Ethernet de gran velocidad
y performance que permiten el manejo de grandes
volúmenes de información conforme a las necesi-
dades actuales de transmisión y el uso de sistemas
distribuidos de control y supervisión, en cambio las
arquitecturas anteriores están limitados a simples
esquemas de conexión serial con capacidades de
funcionamiento limitadas de comunicaciones.
• LaArquitecturadeComunicaciónpropuestapermite
velocidades de transmisión muy altas del orden de 1
Gbps, 100 Mbps o 10 Mbps y soportará velocidades
de transmisión mayores en el futuro, en cambio la Ar-
quitectura de Comunicación basada en transmisión
RS-232 posee muy bajas velocidades de transmisión
del orden de 19,2 kbps o 9,6 kbps no siendo posible
transmitir a velocidades mayores debido a las limita-
ciones de esta tecnología.
• La Arquitectura de Comunicación propuesta permite
reducir los Costos de Integración de diferentes equipos
y sistemas de Supervisión y Control porque a diferencia
de sus predecesoras, los costos de integración resulta-
ban excesivos y se obtenía una baja performance.
ConCLusIones
Toda implementación actual de automatización de sub-
estaciones eléctricas y de sistemas de supervisión de las
mismas debe tener en cuenta el uso de estándares ba-
sados en el modelo de referencia de la OSI para interco-
nexión de Sistemas Abiertos creados por la ISO (Interna-
tional Organization for Standarization).
Los sistemas de supervisión deben no sólo integrar a los
dispositivos existentes sino que deben estar preparados
para poder integrar los dispositivos futuros, como es el
caso en el sector eléctrico del estándar IEC-61850, el cual
permite integrar directamente a dispositivos (IEDs) de
distintos fabricantes, sin la necesidad del uso de conver-
sores o concentradores de comunicación en lo que res-
pecta al hardware y del mapeo de direcciones en lo que
corresponde al software.
El uso de la tecnología OPC en lo que respecta al software
de supervisión garantiza una comunicación transparente
con los dispositivos en el protocolo establecido, permi-
tiendo construir aplicaciones de supervisión y control de
una manera fácil y rápida y si en algún momento se desea
hacer una renovación tecnológica, una ampliación o la
integración de dispositivos en un nuevo protocolo, no se
44
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un
hogar digitaldesign, planning and supervision of an instalation for an
automated system of a digital homeRafael donaire Peña
ResuMen
El presente artículo se basa en la implementación de un
sistema automatizado para un hogar digital, el cual consta
de todos sus ambientes característicos y en donde se han
implementado el control de luces, control de accesos, sis-
temas de seguridad, control de persianas y riego, control
de temperatura y el control de regulación de iluminación
(ahorro de energía). Se aplicarán las técnicas de control
convencional en lazo cerrado y en modo on-off. Para co-
nocer el estado de cada uno de los sensores y actuadores
(variables) desde cualquier punto de la casa, se implemen-
tó un sistema de supervisión mediante el software LCN-W,
el mismo que se encargará del monitoreo de las variables
medidas. La implementación se realizó con equipos LCN
(Local Control Network) de fabricación alemana que utili-
za un protocolo propietario y un sistema descentralizado
mediante los controladores LCN-SH y LCN-UPP.
AbsTRACT
The present article is based on the implementation of an
automated system for a digital home, which are compose
of all its room and where have been implemented con-
trol of lights, accesses control, security systems, blinds and
watering control, temperature control and illumination
regulation control (energy saving). The techniques of
conventional control were applied in closed knot and in
on-off way. To know the state of each one of the sensors
and actuadores from any point of the house, a supervi-
sion system was implemented by means of the software
LCN-W, the same one that took charge of the monitoreo
of the variables measures. The implementation was ca-
rried out with devices LCN (Local Control Network) of
German production that uses a proprietor protocol and a
decentralized system by means of the controllers LCN-SH
and LCN-UPP.
PALAbRAs CLAves
Domótica, pasarela residencial, supervisión, protocolo.
Key WoRds
Domótica, residencial gateway, supervision, protocol,
InTRoduCCIón
La domótica es aquel término que se le aplica a toda cien-
cia y elementos desarrollados por la electrónica e infor-
mática, que proporciona un nivel de automatismo en una
vivienda, ya sea desde lo más simple a lo más complejo
y cuyo objetivo es conseguir el aumento de la calidad
de vida de sus ocupantes. La palabra domótica viene del
francés domotique, que es la unión de dos palabras: por
una parte, proviene de la latina domus, casa, y por otra,
de la francesa automatique. Literalmente podríamos de-
cir que la domótica es la automatización de la casa.
La domótica se ha venido desarrollando desde la déca-
da de los setenta basada en la tecnología X-10 y hasta la
actualidad algunas empresas dedicadas a la domótica
la siguen implementado en sus sistemas, durante todos
estos años los diferentes fabricantes han buscado el de-
sarrollo y el despegue de la domótica con la fabricación
de avanzados electrodomésticos y dispositivos (sensores,
actuadores y controladores) destinados a automatizar
una vivienda.
La situación actual de la domótica es que existen mu-
chos estándares y asociaciones que tratan de normalizar-
la, pero se sigue con la búsqueda de unificar todos en
un único estándar, los protocolos más importantes son
el EHS, BatiBUS y EIB, la idea es sacar lo mejor de cada
sistema e implementar un protocolo único compatible y
abierto. La asociación Konnex con más de 100 compañías
que la conforman trata de realizar la convergencia de es-
tos tres sistemas.
45
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Sistemas Descentralizados, todos los elementos de red
actúan en forma independiente uno de otros, con funcio-
nalidad de control y mando, para el proyecto se escogió
este tipo de topología. La figura 1 muestra a dos contro-
ladores LCN – SH y al LCN – UPP conectados en la red.
Sistemas Distribuidos (híbridos), combinan las topolo-
gías centralizadas y descentralizadas, teniendo un control
local en cada nodo.
Sistemas Centralizados, Los sistemas centralizados se
caracterizan por tener un único nodo, el cual debe recibir
toda información proveniente de los dispositivos exter-
nos, para procesarla y actualizar las salidas.
El Bus LCN puede soportar hasta 250 módulos que se
interconectan directamente mediante tres conductores
(fases y el hilo de datos), conectando de esta manera un
máximo de 30 mil módulos, que pueden automatizar más
de seis mil ambientes.
La planificación pasa por el desarrollo de aplicaciones
elementales que debemos ir implementando, como el
tendido del cable de datos, destino y ubicación de los
módulos. Es necesario definir qué elementos van a entrar
en nuestra automatización, si poseen relación o compati-
bilidad con algunos elementos existentes en el hogar; los
Con el desarrollo de las comunicaciones lo que se busca
de todo proceso automatizado es su integración en redes,
que permitan tener la información del proceso almace-
nada para después observar el comportamiento de cada
variable que conforman el proceso, en la domótica se
busca la integración con el mismo objetivo que las per-
sonas podamos tener la información de lo que está ocu-
rriendo en nuestra casa y poder tomar acciones o poder
tener un registro de todas las incidencias ocurridas du-
rante nuestra ausencia. En un sistema integrado se puede
realizar una supervisión de la vivienda, desde un panel de
operaciones, poder observar cada uno de nuestros am-
bientes de la casa, y poder variar el estado los actuadores
desde cualquier punto de ésta, asímismo, el estar fuera de
la casa en el trabajo, en el cine o cualquier otro lugar que
tenga acceso a Internet, poder monitorear y saber qué
ocurre en nuestra casa en tiempo real. El desarrollo de la
telefonía celular con acceso a Internet hace posible que
podamos supervisar una casa y realizar los cambios nece-
sarios como, encender la calefacción y las luces, con sólo
enviar un mensaje de texto.
dIseÑo y PLAnIFICACIón
Antes de iniciar cualquier conexión de los módulos do-
móticos, debemos definir el tipo de diseño que tendrá
nuestro hogar digital. Partiendo del tipo de topología de
red, podemos clasificarlas en:
Figura 1. Sistema Descentralizado
Bus de transmisión de datos
Figura 2. Sistema Centralizado
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
que se deben realizar en el hogar, este tipo de controla-
dor nos permite hacer un control discreto activando y
desactivando salidas tipo relé o digitales. Debemos de
plantear todas las condiciones que deben activar una
salida y cómo se activara ésta. Por ejemplo una bombi-
lla se debe activar en un 70% si lo activamos desde una
mando a distancia, y en un 100% si se activa el sensor de
movimiento o accionamos nuestro pulsador, tal como se
muestra en la Figura 4.
Podemos realizar también un control de lazo cerrado (ver
figura 5) por ejemplo para el control de temperatura de la
habitación principal, mediante un sensor de temperatura
PT 100 que lo conectamos al módulo LCN-AD1, que es un
convertidor analógico/digital 0-1V (Res. 1mV), 0-10V (Res.
10mV), 0-20Ma (Res. 20uA), podemos ingresar el valor de
consigna al controlador, mediante software o desde un
módulo de pulsadores compatible que utilice el protoco-
lo EIB como Siemens.
recursos con los que contamos, duración y finalmente las
pruebas para la puesta a punto de nuestro sistema auto-
matizado.
Para la implementación del sistema se ha considera-
do realizar el control de iluminación de cada una de los
ambientes del hogar, control de las persianas de la sala,
mando infrarrojo para crear una escena en nuestra sala-
comedor, control de temperatura del dormitorio princi-
pal, control de acceso y seguridad mediante sensores de
movimiento, detectores de rotura de vidrio, detectores de
humo y contactos magnéticos (ver figura 3).
desARRoLLo deL sIsTeMA doMóTICo
El desarrollo consiste en describir la configuración de los
módulos utilizando el software LCN-PRO. Al igual que
otros controladores debemos cargar en el controlador
principal el programa que tiene todas las instrucciones
Figura 3. Plano de la vivienda a automatizar.
Figura 4. Condiciones para activar una salida.
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
ConFIguRACIón de LA Red doMóTICA
Para la automatización de cada ambiente de una casa, he-
mos considerado realizar las siguientes acciones:
Habitación Principal: Control de luces, control de tem-
peratura y control de persianas.
Habitaciones 1 y 2: control de persianas y control de
luces.
Sala – comedor: control de luces, control de persianas,
crear una escena, control de accesos (puerta principal).
Cocina: control de luces.
Seguridad: Detector de movimiento (ubicación en la
sala-comedor), detector de ruptura de vidrio (en la sala-
comedor), detector de humo (ubicación en la cocina), de-
tector de fuga de agua (ubicación en la lavandería).
Jardines: Control de riegos.
Ya definida las aplicaciones vamos a proceder a la imple-
mentación:
El módulo estándar LCN-SH para carril DIN es un sensor/
actuador del sistema de Bus LCN. Está provisto, de dos
salida electrónicas conectoras y reguladoras de 230 V, un
procesador propio, así como de conexiones T, I y P para la
recepción de sensores y actuadores. Con este módulo se
realizara el control de luces de la sala – comedor, median-
te sus dos salidas para regulación de luminosidad, así
como para la realización de escenas y efectos de luz ex-
travagantes. Gracias a su mecanismo interno también se
puede usar para la climatización individual de habitacio-
nes (calefacción y ventilación). Motores para protección
PRogRAMACIón de Los MóduLos
Instalados los equipos procedemos a la programación de
los módulos y del controlador. El LCN- PRO es el software
donde colocaremos los módulos que están conectados
en serie y enchufados a un puerto determinado del con-
trolador maestro, aquí debemos asignar un segmento,
por ejemplo se realizara el siguiente procedimiento:
• En el segmento 0 tenemos al controlador LCN-SH+
y LCN-IVH, el cual lo enchufamos por el puerto I del
controlador, la configuración de los módulos, la po-
demos realizar ON LINE u OFF LINE, y procedemos a
signar acciones como temporizado, apertura o cierre
de un contacto de salida, etc.
• AsignemosunIDalmódulohaciendoclicconlatecla
izquierda del ratón en un módulo no programado,
aparece una ventana para la adjudicación de núme-
ros de identificación (ID). Este ID o dirección es un
número que usted haya ingresado (5 y 254). Los IDs
1-5 están reservados. El ordenador con el software
LCN-PRO tiene, por ejemplo, el ID 1 y el LCN-W (visua-
lización) tiene el ID 2.
• Hacemosdobleclicsobreelmóduloypodemoscon-
figurar su periferia. Para asignar una tecla de desti-
no al módulo LCN-T8. La primera tecla que debe ser
programada sería la tecla A1. Primero se debe pro-
gramar el destino. Para esto haga clic en el destino
con la tecla derecha del ratón y seleccione el propio
módulo.
Figura 5. Control de lazo cerrado
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Dos salidas: Conexión, regulación, luminosidad y tiempo
de apertura (rampa) regulables individualmente. Dos
temporizadores (10ms. 40min) hacen posible el alumbra-
do de escaleras, el reloj automático a corto plazo, etc. 100
memorias de escenas por salida (memorizan luminosidad
y tiempo de apertura). Estas estarán destinadas al control
de luces de las habitaciones 1 y 2, la cocina, baño y al
control de riego por lo que necesitamos 3 módulos. Ver
figura 9.
Conexiones del módulo LCN-UPP
• Porelpuerto T lo dejaremos libre para ampliaciones
futuras.
• Por el puerto I conectaremos el módulo LCN – B3I
entradas de contacto seco.
El diagrama de conexión de la figura 9 se implementó, de
igual modo el control de luces de la cocina y baño, para el
control de riego podemos escoger válvulas eléctricas de
220v a 60Hz, on – off que serán distribuidas por jardín o
si preferimos un control más avanzado podemos colocar
electro válvulas que trabajen de 0 a 20 mA controlando el
flujo de agua, pero acrecienta el costo del diseño ya que
también tendríamos que adicionar el módulo LCN-AD1, y
conectarlo por el puerto T similar a la conexión realizada
para el control de temperatura de la habitación principal.
solar, persianas, ventilación o puertas, pueden ser contro-
lados de acuerdo con la programación y ampliación para
las funciones deseadas.
Conexiones del módulo LCN-SH
• Porelpuerto T se realiza la conexión del módulo LCN
– AD1, para el control de temperatura, el sensor es-
cogido es el LCN-TS, la longitud máxima de conexión
entre los modelos es de 100 metros. Ver figura 6.
• Porelpuerto P se conecta el módulo LCN – R4M2H
para el control de ocho motores destinados al con-
trol de las persianas de la sala y de las habitaciones.
Ver figura 7.
• Por el puerto I, se conecta los siguientes módulos
LCN-UT destinado al control de accesos, el LCN-RR
(receptor infrarrojo de mando a distancia), LCN-BMI
(detector de movimiento), LCN-B3I (sensor binario).
Para la conexión de todos estos módulos es necesa-
rio que coloquemos el módulo LCN-IVH para la ex-
tensión del puerto I. En la figura 8 muestra cómo de-
bemos conectar los sensores al LCN-IVH, los demás
sensores que no se muestran en la figura se conecta
siguiendo el mismo diagrama.
El LCN-UPP es un módulo sensor/ actuador del sistema de
bus LCN. Está provisto de dos salidas electrónicas conec-
toras y reguladoras de 230V, de un procesador propio, así
como de una conexión T- e I-para la recepción de otros
sensores y actuadores LCN.
Controlador
LCN-SH
Figura 6- Diagrama de conexión del puerto T.
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
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Figura 7- Diagrama de conexión del puerto P.
Comunicación por el puerto P
Figura 8- Diagrama de conexión del puerto I.
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
figurar los enlaces de cada elemento, teniendo en cuen-
ta: el módulo al que están conectados el segmento y el
grupo al que pertenece. La pantalla de configuración se
muestra en la figura 10.
Una vez terminado el paso anterior se podrán mostrar las
siguientes pantallas, en las cuales observamos el estado
de los dispositivos empleados, así como también pode-
mos cambiar estos estados si lo deseamos. (Ver figura 11)
ConFIguRACIón de LA suPeRvIsIón MedIAnTe eL soFTWARe LCn – W
Para la vivienda automatizada, cuyo plano se muestra en
la figura 3, creamos unas pantallas de supervisión, que
nos permitirán ver el estado de los sensores y actuado-
res que se han dispuestos en los diferentes ambientes de
nuestra casa, utilizando el software LCN – W. Instalado en
una computadora destinada a este fin se procede a con-
Lámparas de las habitaciones 1 y 2
Figura 9- Diagrama de conexión del LCN - UPP.
Figura 10. Pantalla de configuración.
Figura 11. Pantalla monitoreo.
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital
ACeRCA deL AuToR
Rafael Donaire es ingeniero Electrónico por la Universi-
dad Nacional del Callao, estudiando la Maestría en Auto-
mática e Instrumentación. En la actualidad es docente del
Departamento de Electrotecnia en Tecsup desarrollando
los cursos de Electricidad y Automatización. Es especia-
lista en Automatización de Sistemas Industriales a través
de Controladores Lógicos Programables, manejo de soft-
ware Scada y Sistemas Domóticos.
ConCLusIones
• Por el tipo de topología cumplió con los requeri-
miento de automatización, los controladores LCN-SH
poseen la limitación de conexión en sus puertos T y
P, lo que nos obliga a utilizar más controladores y un
sistema descentralizado.
• LatecnologíautilizadaporlosfabricantesdeLCNnos
permite colgar en la red equipos que no solamente
sean LCN si no compatibles con ella, como son sen-
sores de movimiento, electroválvulas, interruptores
EIB, etc.
• Elsistemadesupervisiónnoshapermitidomonito-
rear los dispositivos domóticos conectados a la red
de datos, pudiendo obtener la información de todos
los dispositivos del hogar digital en tiempo real.
• Paratrabajosdeinvestigaciónenelfuturopodemos
mencionar un monitoreo remoto a través de la red
de Internet.
ReFeRenCIAs bIbLIogRáFICAs
1 Jose Huidobro, La Domótica Como Solución de Fu-
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ISSENDORFF Mikroelektronik GMBH.
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Tecnología de la producciónde sales de cobre
Technology of productionof copper salts
Luís sánchez Zúñiga
ResuMen
La actividad minera en el país se ha caracterizado siem-
pre por ser de bajo valor agregado y limitada a la pro-
ducción de concentrados o un volumen limitado de me-
tales refinados.
En la actualidad el país vive en bonanza económica por
el incremento vertiginoso de los precios de los metales y
se actualizan antiguos proyectos para la explotación de
yacimientos de baja ley de cobre especialmente por pro-
cesos hidrometalúrgicos. En el presente artículo técnico
se presenta la metodología para la obtención de óxido
cuproso por medio electrolítico y sulfato de cobre a partir
de cementos de cobre.
Los procesos que se describen han sido probados con éxi-
to a nivel de laboratorio y se encuentran al alcance de los
empresarios mineros, como alternativas tecnológicas en
el beneficio de minerales de cobre, y representan además,
un mayor valor agregado a los productos que tradicional-
mente se obtienen en las minas peruanas.
AbsTRACT
Spend attention is given to the convenience of working
some mineral deposits of oxidezed copper using lixivia-
tion by piles percolation, in order to use part of the sul-
phuric acid which is being produced at refineries and
smelters.
In general the products to be obtained due to the usage
of these news techniques will be copper cement and also
electrolytic copper.
The authors present the methodology to obtain cuprous
oxide by electrolysis and copper sulphate starting from
copper cement.
The above processes have been tested with success at
laboratory level, they are technological alternatives in be-
nefit of the copper minerals, and they represent a higher
aggregated value to the traditional products obtained.
PALAbRAs CLAves
Electrolisis, precipitación, cemento de cobre, óxido
cuproso.
Key WoRds
Electrolysis, precipitation, copper cement, copper oxide.
InTRoduCCIón
El Perú es un tradicional productor de cobre, ocupando
siempre un lugar de privilegio en el contexto mundial. En
la actualidad se vive una coyuntura especial y nuevamen-
te se pone a consideración de los inversionistas los “anti-
guos” proyectos cupríferos.
Es conocido que en nuestro territorio existen recursos na-
turales y materias primas adecuadas, las mismas que pue-
den ser utilizadas para la obtención de sales de cobre; de
esta forma, es posible la formulación de proyectos para la
producción de aquellos.
En la situación descrita, es conveniente actualizar la idea
de trabajar algunos yacimientos de minerales oxidados
de cobre, especialmente en la costa sur, aplicando la tec-
nología de lixiviación por percolación en pilas a fin de uti-
lizar el ácido sulfúrico que se produce en el país. Los pro-
ductos a obtener pueden ser: cemento de cobre, diversas
sales de cobre, o alternativamente, cobre electrolítico.
El presente trabajo describe la metodología para la ob-
tención de oxido cuproso por medio electrolítico y sulfa-
to de cobre a partir de cementos de cobre.
53
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Figura 1. Diagrama de flujo: fabricación de óxido cuproso.
El proceso general de la celda es una reacción química
endotérmica, con un calor de reacción igual a 25870 calo-
rías por 2 átomos-gramos de cobre, con lo cual se puede
calcular el voltaje de descomposición a partir de la Regla
de Thomson:
Erp =
El consumo energético se puede calcular considerando
que el equivalente electroquímico del cobre (I) es 2,37
gramos de cobre por amperio-hora.
obTenCIón de suLFATo de CobRe
La obtención de sulfato de cobre es una tecnología cono-
cida, la cual ha sido descrita por diferentes investigadores
y aplicada con éxito en diversas plantas locales. En Lima,
operan los denominados “sulfateros”, quienes emplean
como materia prima chatarra de cobre electrolítico (en
forma de desechos, conductores, barras, etc.) y ácido sul-
fúrico que adquieren a las refinerías de metales locales. El
proceso de fabricación en estas plantas se resume en las
siguientes etapas:
a. Preparación de la materia prima.
b. Carguío del material en reactores de lixiviación (tan-
ques cilíndricos de acero inoxidable tipo SAE 316) y
se cubre con solución remanente del proceso ante-
rior de cristalización.
c. Lixiviación en caliente a 80 - 90°C y densidad de la
solución igual a 40°Bé
TeCnoLogíA de PRoduCCIón deL óxIdo CuPRoso
El óxido cuproso se emplea en la fabricación de sales de
cobre QP, en cerámica, fritas rojas para porcelana, vidrio
rojo y galvanoplastía. Es destacable también su uso como
pigmento para pinturas antifouling. En su forma comer-
cial, el óxido cuproso es un material finamente molido
(granulometría: 100% menos malla 325) de color rojo
sangre, y que no se moja en el agua; se distinguen dos
formas de presentación: el grado QP y el grado técnico.
Las propiedades del óxido cuproso son:
Gravedad Específica = 5,8
Punto de Fusión = 1235 °C
Punto de Ebullición = 1800 °C
Es insoluble en agua. Es soluble en HCl, NH4Cl y NH
4OH,
La tecnología para la producción del óxido cuproso es
por el proceso electroquímico de electrólisis, que se basa
en pasar corriente eléctrica entre electrodos de cobre y
carbón, en un electrolito preparado con una solución de
cloruro de sodio (30 g/L) y a una temperatura de 95 °C.
Se producen las siguientes reacciones dentro de la celda:
En el cátodo (carbón) : 2H2O+2e- ➞ 2(OH)-+H
2
En el ánodo (cobre) : 2 Cu ➞ 2 Cu+++2e-
La combinación de ambos procesos resulta en el proceso
general:
2Cu+2H2O ➞ Cu
2(OH)
2+H
2
observándose que, precipita el hidróxido cuproso ama-
rillo en el electrolito y se libera hidrógeno en el cátodo.
Posteriormente, el hidróxido se hierve durante largo
tiempo, con lo cual se realiza el proceso.
Cu2 (OH)
2 ➞ Cu
2O+H
2O
Es decir, se descompone el hidróxido cuproso en oxido
cuproso (Cu2O, de color rojo sangre) y el agua respectiva.
La Figura 1, ilustra el diagrama de flujo del proceso de fa-
bricación de oxido cuproso.
Sánchez L, – Tecnología de la produccion de sales de cobre
54
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Es posible estimar los consumos unitarios en el proceso
de producción de una tonelada de óxido cuproso al 100%
requiere lo siguiente:
• Cobreelectrolítico = 870kg.
• Clorurodesodio = 50kg.
• Agua = 5m3
• Electricidad = 414kw-hora
• Silicona(impermeabilizante) = 0.5kg.
Se realizaron cuatro pruebas de obtención de óxido cu-
proso a diversas condiciones a fin de determinar las con-
diciones de una óptima producción en el laboratorio. Las
condiciones y resultados se presentan en el Cuadro 1.
1era. Prueba
2da.Prueba
3era. Prueba
4ta.Prueba
Densidad de corriente, amp/pie2
30 40 30 40
Voltaje de celda, voltios
2 2 2 2
Temperatu-ra, °C
70 70 90 90
Distancia en-tre electrodos, pulgadas
2 2 2 2
Eficiencia de corriente, %
79 80 82 86
Cuadro 1. Condiciones de operación en laboratorio.
obTenCIón de suLFATo de CobRe A PARTIR de CeMenTos
En este acápite se describe el proceso de obtención de
sulfato de cobre a partir de cementos de cobre mediante
un procedimiento aplicado con éxito en el laboratorio. El
método adecuado para obtener sulfato de cobre a partir
del cemento, implica un pretratamiento previo del mate-
rial. El objetivo de las pruebas de laboratorio consistió en
obviar el tostado oxidante convencional del cemento, me-
diante el curado con una sal de amonio como oxidante.
Se eligió el Nitrato de Amonio debido a que no forma
sales insolubles que dificulte la posterior lixiviación del
material curado, y a la vez, por la doble acción oxidante, lo
cual se explica por las siguientes reacciones:
NH4NO
3 ➞ NH
3+NO
3H (1)
4 HNO3 ➞ 4 NO
2+2H
2O+O
2 (2)
d. Decantación de la solución rica y caliente; ajuste del pH.
e. Cristalización en tanques, enfriados con chaquetas
de agua, para producir macrocristales, que tarda al-
rededor de 12 horas.
f. Eliminación de humedad del producto y envasado
para su venta.
El sulfato de cobre se produce en dos calidades que se
distinguen por la pureza, y por su humedad residual.
a. Macrocristales: Preferidos por la mayoría de consu-
midores y compañías mineras, por su mayor pureza
(98%) y más apropiado a sus métodos de prepara-
ción de soluciones.
b. Microcristales: Contienen mayor humedad y even-
tualmente un ligero aumento de contaminantes y
menor pureza (97%).
De otro lado, en las plantas de lixiviación de minerales
oxidados de cobre se obtiene como producto final, un
precipitado denominado cemento de cobre, cuya pure-
za depende de las condiciones y controles del proceso.
Los cementos de cobre son integrados a procesos piro-
metalúrgicos, en los cuales, junto a la complejidad opera-
cional, normalmente se producen significativas pérdidas
por arrastre en chimenea (15 - 20%). Tales inconvenientes
contribuyen a que la comercialización de estos cementos
sea un tanto subestimada, inclusive para aquellos preci-
pitados con alta ley (85 - 95% Cu). La situación descrita
ha motivado el interés de implementar un proceso que
constituya una alternativa tecnológica y que permita un
mejor aprovechamiento de los cementos de cobre.
MeTodoLogíA
Pruebas de obtención de óxido cuproso
Resultados obtenidos por investigadores nacionales, en
pruebas piloto y de laboratorio, han demostrado que el
proceso funciona en las siguientes condiciones de ope-
ración:
• Densidaddecorriente = 30-40amp/pie2
• Voltajedecelda = 1-3voltios
• Temperaturaóptima = 95°C
• Distanciaentreelectrodos = 2pulgadas.
• Eficienciadecorriente = 80-85%
Sánchez L, – Tecnología de la produccion de sales de cobre
55
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Sánchez L, – Tecnología de la produccion de sales de cobre
tiempo de curado de 5 días; sin embargo, este último pa-
rámetro de operación debe ser optimizado. En la Figura
3, se concluye que el tiempo mínimo de curado debe ser
24 horas, siendo factible disolver 99% de cobre. La lixi-
viación del material curado se efectuó durante una hora
con solución de 300 g/L de H2SO
4, a dilución 5/1 y a una
temperatura de 70°C; en estas condiciones no se observó
problemas de sobresaturación de la solución. La cristali-
zación posterior se llevó a cabo mediante enfriamiento,
obteniéndose buena calidad y eficiencia en los cristales
producidos.
ConCLusIones
La producción de sales de cobre ofrece la posibilidad de
mejores rendimientos económicos al momento de su
comercialización, en comparación a los productos tra-
dicionales. Las pruebas experimentales de laboratorio
demuestran que es factible la obtención de sulfato de
cobre pentahidratado mediante oxidación del cemento
de cobre con Nitrato de Amonio y posterior lixiviación
ácida convencional. Asimismo, es factible obtener óxido
cuproso por el proceso de electrolisis a partir de solucio-
nes concentradas de cobre.
Se observa, en la reacción (2), que el oxígeno y el dióxido
de Nitrógeno son los agentes oxidantes del cobre.
La muestra en estudio es un cemento de cobre, obtenida
mediante una reducción de contacto con fierro, que tiene
la siguiente composición química:
Al inicio se realizaron nueve pruebas de curado y lixivia-
ción, en las que se estudió el efecto de la relación este-
quiométrica NH4NO
3/cobre. Las condiciones de trabajo
en laboratorio son las siguientes:
• Pesodecementodecobre = 1000gramos.
• Tiempodecurado = 5días
• Diluciónenlalixiviación = 5a1
• Concentracióndeácido = 300g/L
• Tiempodelixiviación = 60minutos
• Temperaturadelixiviación = 70°C
Como el tiempo de curado determinado inicialmente era
muy largo se procedió a realizar un segundo set de prue-
bas metalúrgicas, en el que se estudió dicha variable. Las
condiciones de trabajo en laboratorio son las siguientes:
• Relaciónestequiométrica = 0.5
• Diluciónenlalixiviación = 5a1
• Concentracióndeácido = 300g/L
• Tiempodelixiviación = 1hora
• Temperaturadelixiviación = 70°C
ResuLTAdos y dIsCusIón
Los resultados de las pruebas de obtención de óxido cu-
proso por electrolisis demuestran que el proceso es sen-
sible a la temperatura del electrolito en la celda; a la vez,
la densidad de corriente es otra variable significativa pues
la eficiencia de corriente se incrementa en forma propor-
cional, pero se juzga que será difícil continuar incremen-
tándolo en razón al razonable deterioro en la calidad del
producto final. En las condiciones de operación de las
pruebas de laboratorio, se observa que la mayor eficien-
cia de corriente en el proceso de electrolisis se obtiene
con una densidad de corriente de 40 amp/pie2.
Los resultados de las pruebas de obtención de sulfato de
cobre a partir de cementos, en la Figura 2 se observa que
la relación estequiométrica más óptima es 0.5, para un
Figura 2. Efecto de la relación estequiometrica en la disolución de cobre.
% e
xtra
cció
n d
e co
bre
Figura 3. Efecto del tiempo de curado en la disolución de cobre.
% e
xtra
cció
n d
e co
bre
56
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Sánchez L, – Tecnología de la produccion de sales de cobre
Las ventajas de los métodos descritos son: simplicidad
de operación, bajos costos de operación y rápida cinéti-
ca de conversión de cobre, permitiendo obtener un sub-
producto de alta calidad física-química y con potenciales
campos de aplicación.
Independiente del producto a fabricar, es conveniente
una minuciosa determinación de la calidad de la materia
prima, a fin de evitar las dificultades al separar las impure-
zas contaminantes, las cuales no permiten alcanzar grado
de pureza del producto final exigido por los clientes con-
sumidores.
ReFeRenCIAs
1 Producción de sulfato de cobre a partir de cementos
de cobre de Refinería Cajamarquilla. Informe privado.
Tecsup. Lima, 2006.
2 Rodríguez V., Jorge. Nuevas alternativas en el bene-
ficio de minerales de cobre. Anales de la XX Conven-
ción de Ingenieros de Minas. Tacna, 1988.
3 Muñiz D., Juan. Alternativas de solución para Cerro
Verde. Anales del IV Simposium Nacional de Ingenie-
ría Metalúrgica. Arequipa, 1987.
4 Producción de Sulfato de Cobre a partir de Cemento
de Cobre. Informe N° 1746 - LMC. Banco Minero del
Perú - Laboratorio Central Callao, 1986.
ACeRCA deL AuToR
Luís Sánchez Zúñiga es ingeniero metalúrgico. Es investi-
gador en el área del procesamiento de los minerales. Tiene
experiencia laboral en empresas mineras, focalizando su
desarrollo profesional en la implementación de procesos
metalúrgicos y supervisión en plantas concentradoras de
minerales de oro, plata y cobre. Sus áreas de interés son:
Hidrometalurgia del oro y diseño de plantas metalúrgicas.
Es consultor en Investigación Aplicada de los Servicios a la
Industria Minera de Tecsup.
57
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Implementación de una red de telefonía híbridade bajo costo con asterisk
Implementation of low-cost hybrids telephone network with asterisk
Renatto g. gonzales Figueroa
ResuMen
En el mercado de las telecomunicaciones las PBX o Cen-
trales Telefónicas Privadas son utilizadas por las compa-
ñías para, principalmente, manejar sus llamadas tanto
entrantes como salientes. Las PBX permiten administrar
el uso de, por ejemplo, cuatro líneas telefónicas entre los
veinte anexos que utilizan los empleados en una oficina,
así como las llamadas internas entre estos anexos.
Otras funciones son adicionalmente solicitadas a las PBX,
tales como transferencia de llamadas, horarios de aten-
ción, llamadas en espera, conferencias, desvíos de llama-
das, correos de voz, menú interactivo de voz (IVR), reporte
de llamadas; a estas funciones podríamos agregar otras
más de acuerdo a necesidades específicas, tales como:
• UnCallCenterrequierecolasdellamadas,grabación
de llamadas, agentes para atención de llamadas y
marcadores predictivos.
• UnHotelrequierefuncionescomolastcheckout,avi-
sos programados, menús interactivos de voz, avisos
en múltiples idiomas, etc.
Estas funciones cuando se implementan con PBX tradi-
cionales son muy costosas, necesitan hardware y software
especializado, el que, además, al ser propietario, aumenta
los costos y disminuye la flexibilidad de las implementa-
ciones, obligando al usuario a mantener una sola marca.
Estos costos elevados evitan, en la mayoría de los casos,
que muchas compañías pequeñas o medianas puedan ac-
ceder a estas PBX, limitando su capacidad de competencia
en el mercado al no contar con tecnología de vanguardia.
Asterisk es una plataforma de comunicaciones, diseña-
da como interfase entre diferentes tecnologías de tele-
fonía IP y telefonía analógica de manera que la conver-
gencia entre ellas sea consistente. Asterisk es modular,
lo que le da la capacidad de manejar desde canales
TDM de voz, paquetes de voz IP y múltiples codecs de
voz hasta aplicaciones complejas como IVRs con acce-
so a bases de datos.
Asterisk es, además, software libre de código abierto, se
ejecuta sobre Linux, su instalación ocupa apenas unas
decenas de Mega Bytes, puede instalarse sobre cualquier
PC y es altamente configurable.
Estas características hacen de esta plataforma, actual-
mente, la alternativa perfecta para que muchas empresas
grandes, medianas o pequeñas puedan acceder a aplica-
ciones avanzadas como IVRs, correos de voz, grabación
de llamadas, salones de conferencia, interacción con ba-
ses de datos, etc. a precios razonables. Todo esto mante-
niendo la flexibilidad y la compatibilidad con otras PBX,
utilizando estándares de comunicaciones y teniendo el
control completo del despliegue, la puesta en marcha y
el mantenimiento de su sistema.
AbsTRACT
In the telecommunications market, the PBX (Privates Box
exchange) is used by companies to mainly handle your
calls both incoming and outgoing. The PBX allow mana-
ge the use for example of 4 telephone lines between 20
extension used by employees in an office, and also inter-
nal calls between these extension.
58
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
InTRoduCCIón
Las compañías de hoy en día deben afrontar nuevos re-
tos para cumplir las metas que se han trazado, para lo-
grar este objetivo deben apoyarse en la tecnología como
herramienta que acelere y sostenga su crecimiento. Entre
las diferentes áreas en las que la tecnología puede servir
de apoyo al crecimiento de una compañía están las co-
municaciones. Es imprescindible para cualquier empresa
que se mantenga comunicada con sus clientes y provee-
dores, así como que se mantenga comunicación entre sus
empleados y oficinas remotas y como principal medio de
comunicación tenemos la red telefónica.
A pesar de la gran variedad de formas de comunicación
que nos provee la tecnología actual como: correo elec-
trónico, mensajería instantánea, páginas Web y otras
herramientas de colaboración que nos permiten acortar
distancias con una gran rapidez y eficiencia; sigue siendo
aún el teléfono una de las herramientas de la cual ningu-
na empresa puede prescindir; ya que principalmente nos
permite comunicarnos utilizando una tecnología (la red
telefónica, sea fija o móvil) a la que prácticamente todos
tenemos acceso.
Por eso, que a pesar de la aparición cada vez más rápida
de otras formas de comunicarnos, las empresas siguen
utilizando la red telefónica tradicional y, por lo tanto, se
siguen implementando aplicaciones para este medio
utilizando PBXs. Las aplicaciones más comunes son: res-
puesta de voz interactiva, correo de voz, monitoreo de
llamadas cola de llamadas, agentes para atenciones de
llamadas, salas de conferencia, entre otras.
El fin principal de este proyecto es implementar una red
telefónica privada para una pequeña empresa que a un
costo razonable pueda beneficiarse de las principales
aplicaciones que se implementan sobre PBXs propietarias
de alto costo, permitiéndole contar con las herramientas
tecnológicas para convertirse en una empresa altamente
competitiva.
esCenARIo InICIAL
Para iniciar este proyecto nos planteamos el escenario
de una empresa pequeña promedio que aún no cuenta
con una PBX, pero que desea implementar una solución
que le permita sacar el mejor provecho a los recursos que
posee.
Additionally, other functions are applied to the PBX, such
as transferring calls, hours of operation, call waiting, con-
ference, call relay, voice mail, interactive Voice Response
(IVR), reporting calls; these functions could add others ac-
cording to specific needs such as:
• ACallCenterrequiresqueuescalls,callrecording,call
agents and predictive markers.
• Ahotelrequiresfunctionsaslastcheckout,schedu-
led alerts, interactive voice menus, notices in multi-
ple languages, etc.
These functions when implemented with traditional PBX
are very expensive, and require specialized hardware and
software, which also increases the ownership costs and
reduces the flexibility of deployments, forcing the user to
maintain a brand.
Asterisk is open source software platform for communi-
cations, designed as an interface between different tech-
nologies of IP telephony and analog telephony so that
the convergence between them is consistent. Asterisk is
modular, which gives you the ability to manage channels
from TDM voice, IP voice packets and multiple voice co-
decs to complex applications such as IVRS with access to
databases.
These features make this platform, currently, the perfect
alternative for many large, medium or small companies
can access advanced applications such as IVRS, voice
mail, call recording, conference halls, interaction with da-
tabases, etc. at reasonable prices. All of this can be rea-
ched while maintaining the flexibility and compatibility
with other PBX, using standard communications, and ta-
king full control of the deployment, implementation and
maintenance of your system.
PALAbRAs CLAves
Telefonía IP, Telefonía con Asterisk, IVR con Asterisk, IVR
con una PBX, Telefonía Híbrida, CODECS de Voz.
Key WoRds
IP Telephony, Telephony with Asterisk, IVR with Asterisk,
IVR with a PBX, Hybrid Telephony, Voice CODECs.
Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk
59
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Este escenario planteado se asemeja mucho a los casos
reales en empresas que desde pequeñas empiezan a cre-
cer y podemos identificar principalmente los siguientes
problemas:
• Cuandoingresaunallamadaporlalínea1,timbrarán
al mismo tiempo los teléfonos de gerencia, admi-
nistración y producción. Esto causará que si un área
contesta cuando la llamada es para otra área debe-
rán hacerse transferencias de llamadas, lo que redu-
ce la eficiencia del personal. El caso es similar cuado
timbra la línea 2.
No hay administración de las líneas telefónicas dis-
ponibles.
• Otroproblemaesquecuandonoseencuentranin-
guna persona en el área de ventas o en el área de
compras las llamadas o se pierden o en muchos ca-
sos los encargos dejados a otras personas no son en-
tregados a tiempo.
No hay mecanismos de guardar mensajes en caso de
no encontrarse la persona buscada.
• Cuandoelgerenteseencuentraensucasadebeuti-
lizar la red telefónica para comunicarse con su com-
pañía y cuando se encuentra de viaje debe utilizar el
teléfono del hotel donde está alojado o su teléfono
celular.
Ambos casos presentan costos elevados de comuni-
cación.
La empresa ha crecido por lo tanto sus nuevas necesida-
des son las siguientes:
• Aumentardedoslíneasacuatrolíneastelefónicas.
• Aumentar de tres a cuatro el número de vendedores.
• Aumentardedosatreselnúmerodeencargadosde
compras.
• Adquirir una PBX para poder administrar mejor las
cuatro líneas.
• Solucionartodoslosproblemasmencionadosante-
riormente.
Nota: Adicionalmente al tener que aumentar su personal
de ventas y compras sería un costo difícil de cubrir el con-
tratar una persona más para el cargo de recepcionista.
La empresa cuenta con lo siguiente:
Área de Gerencia:
• Unteléfonoanalógicoatendidoporelgerente.
Área de ventas:
• Dosteléfonosanalógicosquesonatendidosportres
vendedores.
Área de Compras:
• Dosteléfonosanalógicosquesonatendidospordos
encargados de compras.
Área de Administración:
• Un teléfono analógico que es atendido por dos personas.
Área de Producción:
• Unteléfonoanalógicoatendidoporel jefedelárea
de producción.
Cuenta, además, con dos líneas telefónicas analógi-
cas que se distribuyen de la siguiente forma:
• Línea1:tienecomoanexoselteléfonodegerencia,
de administración y de producción.
• Línea2:tienecomoanexoslosteléfonosdeventasy
compras.
Cuenta con un enlace a Internet speedy de un Mbps.
Figura 1. Escenario inicial planteado.
Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk
60
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Servidor de comunicaciones:
• PentiumIV3.0Ghz
• MemoriaRAM:521KB
• DiscoDuro:40GB
• 1tarjetadered
• 1tarjetaDigiumTDM404P
Laptop del gerente:
• ToshibaSatellitePentiumIV
• MemoriaRAM512KB.
• Ochoteléfonosanalógicos
• CuatroATAsSIPdedospuertosFXS
Para implementar esta solución se utilizó el siguiente
software:
Servidor de comunicaciones:
• SistemaOperativoLinuxCentOS4.4
• Asteriskylibrerías(ZAPTEL,LibPri)
• ServidordecorreosSendmail.
Estaciones de trabajo:
• Softphone:X-LiteoSJphone
Laptop del gerente:
• Softphone:X-LiteoSJphone
Primero se desarrollo el siguiente plan de discado y asig-
nación de teléfonos:
Tabla 1. Plan de discado
Para aprovechar los teléfonos analógicos existentes uti-
lizaremos ATAs (Analog Telephone Attachment) SIP para
poder configurarlos como teléfonos IP.
soLuCIón PLAnTeAdA
En términos generales la solución planteada sería la si-
guiente:
• Instalar una PBX para administrar las cuatro líneas
entrantes y los anexos internos.
• ConfigurarunmenúutilizandounIVR(respuestain-
teractiva de voz) en la PBX para atender las llama-
das automáticamente y redireccionarlas a las áreas o
anexos respectivos.
• Implementar correo de voz en la PBX para cada
anexo, de tal manera que puedan grabarse los men-
sajes de los clientes, proveedores, etc.
• Darle acceso a la central telefónica a través de la
conexión a Internet disponible para que el gerente
pueda estar en contacto con su oficina desde su casa
y desde cualquier punto remoto, donde pueda co-
nectarse a Internet.
Según lo mencionado debemos adquirir una central tele-
fónica que soporte IVR, correo de voz y un módulo de te-
lefonía IP. Este tipo de PBX tiene costos elevados que van
desde aproximadamente US$ 6000.00 dependiendo de la
marca, modelo y funciones adicionales. Y en la mayoría de
los casos este precio no incluye los costos de implemen-
tación y capacitación.
Debemos mencionar adicionalmente que cuando desea-
mos realizar cambios o ampliar estas capacidades estare-
mos atados a la marca que hemos adquirido, lo que nos
deja sin la posibilidad de elegir entre diferentes posibili-
dades de solución.
La solución planteada por este proyecto es la siguiente:
- Instalar un servidor Asterisk en una PC para administrar
las cuatro líneas entrantes, los anexos locales y los anexos
remotos (Teléfono IP del gerente).
• ConfigurarunmenúIVRenelservidorAsterisk.
• ImplementarelcorreodevozenelservidorAsterisk.
• ImplementarunanexoremotoIPparaqueelgeren-
te se pueda conectar desde fuera de la empresa.
Para implementar esta solución se utilizaron los siguien-
tes equipos de hardware:
Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk
61
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Instalación del servicio de correos:
2. Instalar un servidor de correos interno utilizando
Sendmail (viene por defecto en el CentOS 4.4).
3. Configurar 12 usuarios de correo uno por cada usua-
rio en la tabla superior.
Instalación del servicio asterisk
4. Compilar asterisk y las librerías necesarias en el si-
guiente orden:
a. Compilar la librería ZAPTEL
b. Compilar la librería LIBPRI
c. Compilar Asterisk
5. Configurar la tarjeta analógica Digium TDM404P uti-
lizando el archivo /etc/zaptel.conf, aquí determina-
mos la señalización y el tipo de interfase.
Configuramos 4 interfases FXO con señalización
KewlStart
6. Configurar los canales analógicos en el archivo /etc/
asterisk/zapata.conf. Esta configuración es necesaria
para poder utilizar los canales en el plan de discado,
asterisk reconocerá estos canales analógicos como
canales ZAP.
El diagrama de la solución implementada se muestra en
la siguiente gráfica.
Pasos de Implementación:
Servidor de comunicaciones:
1. Instalar el sistema Operativo Linux CentOS 4.4 en la
PC seleccionada como servidor de comunicaciones.
Figura 3. Tarjeta Digium TDM con 4 FXO instalada en el
servidor de comunicaciones.
Figura 2: Escenario implementado en el proyecto.
Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk
62
Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
realizar las acciones que deseamos sean ejecutadas.
(Ver Figura 4)
10. Para configurar los anexos crearemos una extensión
para cada uno y utilizaremos la aplicación DIAL para
marcar cada canal SIP.
Adicionalmente se utilizará la aplicación VOICEMAIL
para activar el correo de voz de cada usuario. Así,
cuando el usuario no responda, un menú guiará a la
persona llamante a dejar un mensaje.
11. Configuraremos además una extensión 2020 para
grabar el mensaje que utilizaremos para el IVR. En la
configuración de esta extensión utilizaremos la apli-
cación ANSWER para que asterisk conteste automá-
ticamente la llamada y la aplicación RECORD que nos
dará la opción de grabar un mensaje.
Configurando el menú IVR
12. Utilizando la extensión 2020 grabaremos el siguiente
mensaje:
“Bienvenidos a MI EMPRESA si desea hablar con ven-
tas marque 1, si desea hablar con compras marque 2,
si desea hablar con Administración marque 3, si de-
sea hablar con producción marque 4, si desea hablar
con Gerencia marque 5“
13. En el plan de discado crearemos una extensión espe-
cial: la extensión S, que será la que reciba las llamadas
entrantes. Luego una aplicación ANSWER tomará la
llamada, otra aplicación BACKGROUND repetirá el
mensaje grabado anteriormente. Y utilizando aplica-
ciones DIAL y aplicaciones GOTO crearemos un flujo
que nos permitirá enviar la llamada al anexo adecua-
do de acuerdo con la selección del llamante.
Estaciones de trabajo:
14. En las estaciones que utilizarán softphones instala-
remos X-LITE o SJPhone como teléfonos por soft-
ware. En la configuración del softphone colocamos
la cuenta SIP con la que se logueará el teléfono y la
dirección IP del servidor de comunicaciones.
15. En el caso particular de la laptop del gerente debere-
mos configurar la cuenta SIP con la que se logueará
al servidor asterisk y la dirección IP pública del router
de la empresa.
Configurando el correo de voz
7. En el archivo /etc/asterisk/voicemail.conf configura-
mos cuál es nuestro servidor de correos y cuáles son
las cuentas que tienen acceso a él. En este caso las
cuentas tendrán como nombre el mismo número de
anexo.
Esta configuración permitirá que cada vez que se
deje un correo de voz, sea enviado a la cuenta de co-
rreo de cada usuario configurado.
8. Para los anexos configuraremos teléfonos IP con el
protocolo SIP que se conectarán a los teléfonos ana-
lógicos utilizando los ATAs.
La decisión de utilizar todos los anexos como canales
IP utilizando el protocolo SIP es para uniformizar la
administración de todos los anexos y además apro-
vechar los beneficios de la telefonía IP en todos los
anexos.
La configuración de las cuentas SIP se hacen en el ar-
chivo /etc/asterisk/sip.conf aquí configuramos prin-
cipalmente:
• ElnúmerodecuentaSIPquevaserelmismonúmero
del anexo asignado en la tabla 1.
• Ellenguajequeseutilizaráparalosmensajesdeau-
dio que envía asterisk.
• SielteléfonoIPseráremotoonoynecesitaráutilizar
el protocolo NAT. Para este caso sólo a la cuenta SIP
del gerente se le configurará el soporte NAT.
Asterisk reconocerá a cada cuenta SIP configurada
como un canal SIP.
9. El Plan de Discado se configura en el archivo /etc/as-
terisk/extensions.conf. aquí configuramos las reglas
de marcación para el servidor asterisk. Y qué es lo
que debe hacer cuando recibe una llamada entrante
o ejecuta una llamada saliente. Además aquí se con-
figurará el menú IVR.
Cada anexo se crea en el plan de discado como un
conjunto de líneas que deben ser ejecutadas si-
guiendo un orden establecido. Aquí observamos la
flexibilidad y potencia del servidor de comunicacio-
nes asterisk al permitirnos utilizar aplicaciones para
Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk
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Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008
Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk
cada usuario y de esta manera el mensaje será es-
cuchado desde cualquier ubicación con acceso al
correo.
• El gerente utilizando su laptop podrá registrar su
cuenta SIP desde cualquier ubicación remota con
acceso a Internet y realizar llamadas a través de la
central asterisk como si se encontrara en la oficina.
ConCLusIones
• Esposibleelusodeaplicacionesdecódigoabierto
y software libre para implementar soluciones profe-
sionales de comunicaciones y aplicarlas a casos rea-
les de empresas en el Perú.
• Elusodeasteriskcomoservidordecomunicaciones
nos permite integrar la telefonía tradicional y la Tele-
fonía IP de forma transparente a los usuarios y con-
sistente para los administradores de red.
• La ventaja de un plan de discado flexible que nos
proporciona asterisk hace posible configurar aplica-
ciones avanzadas como el IVR y el correo de voz sin
necesidad de adquirir software o hardware adicional
ATAs:
16. Cada ATA tiene 2 puertos FXS por lo que ahí conecta-
remos los teléfonos analógicos. En cada ATA se debe-
rá configurar además los datos de 2 cuentas SIP y la
dirección del servidor asterisk. (Ver figura 5)
17. Terminada esta configuración conectaremos los te-
léfonos analógicos a los ATAs y los ATAs a la red de
datos de la empresa. Cada cuenta SIP se registrará en
el servidor asterisk.
ResuLTAdos
• Unavezterminadalaconfiguraciónelservidoraste-
risk recibirá las llamadas por cada una de las cuatro
líneas analógicas y contestará la llamada utilizando
el IVR, de esta manera las personas llamantes podrán
escoger con qué área desean comunicarse.
• Luego,silapersonallamadanoestápresentedejará
un mensaje de voz.
• Estemensajeseráenviadoporcorreoelectrónicoa
Figura 4. Teléfonos analógicos y servidores de
comunicaciones Asterisk.
Figura 5. ATAs con 2 interfaces FXS.
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